后碰撞中乘員頸部肌肉有限元模型的建立與驗證

李凡　曹迎春　粟思橙　黃晶

摘 要：建立并驗證了具有主動力響應的乘員頸部肌肉有限元模型，用于研究頸部肌肉主被動響應對后碰撞載荷下乘員頭頸部動力學響應及頸部損傷的影響.運用50百分位成年男性頸部的MRI數據重建了人體頸部肌肉三維數值模型，采用克里格插值方法將其與頭頸基礎模型進行匹配.肌肉材料定義采用Ogden材料和Hill材料相耦合的辦法以分別模擬肌肉的被動和主動特性.根據Davidsson等人開展的后碰撞臺車志愿者試驗數據對該頸部肌肉模型進行了驗證.結果表明，肌肉激活狀態下與未激活時比較，頭部質心相對T1位移減小了12 mm，頭部角位移減小了4°，肌肉主動力影響顯著.該模型的數值模擬結果與志愿者試驗結果吻合較好，模型具有較高的生物逼真度，可應用于后碰撞中的乘員頸部損傷研究.

關鍵詞：肌肉主動力；汽車后碰撞；頸部損傷；生物力學；有限元模型

中圖分類號：R318.01 文獻標識碼：A

Abstract：The aim of the present study was to develop and validate an FE model of neck muscle system according to human anatomy structure in order to analyze the influence of neck muscle activation on head-neck dynamic responses and biomechanical responses under rear impact loading condition. A three-dimensional neck muscle model was developed on the basis of the MRI data of a 50th percentile male. The model was then combined with a previously developed and well-validated head-neck FE model in Kriging method. The passive and active behavior of a single neck muscle was defined by coupling Ogden and Hill material models. The neck muscle FE model was validated through volunteer tests of rear-impact conducted in Chalmers University of Technology. The result has shown that， compared with non-activation muscle behavior， the displacement of head CDG to T1 decreases by 12mm while the angle displacement decreases by 4°， which indicates the significant effect of muscle activation on head kinetic responses. The head-neck dynamic responses from the simulations are consistent with the test results. The current neck muscle FE model is of a good biofidelity and can further be used for occupant neck biomechanical research in rear impact loading conditions.

Key words：muscle activation；vehicle rear impact；neckinjuries；biomechanics；FE model

乘員頸部損傷是交通事故中的常見損傷.據統計，約85%以上的頸部損傷發生于低速（ΔV≤25 km/h）追尾碰撞中[1]，其中約98%的頸部損傷屬于AIS1級損傷，即輕度損傷[2].但是，揮鞭傷是最為常見的頸部交通傷，在事故發生初期往往難以發現或者損傷輕微，而隨著時間積累，這種損傷會慢慢加重甚至造成繼發性損傷，對人體危害嚴重[3].由于目前對于頸部揮鞭傷的損傷機理仍未能清楚認知，國內外研究者對頸部損傷進行了大量的深入研究，并逐步開始重視頸部肌肉主動力對于頸部損傷機理的重要影響.

為了研究后碰撞中乘員頭頸部的真實響應過程及頸部損傷機理，研究者們近年來進行了大量的生物力學試驗研究.Severy等人[4]最早開始頸部損傷研究，并進行了志愿者碰撞試驗，試驗中僅測得碰撞車輛的加速度曲線，粗略描述了志愿者頭部的運動響應，并沒有詳細研究頸部如何吸收慣性作用下頭部產生的沖擊能量，也未測量碰撞過程中的頭部加速度數據.之后，在Severy研究的基礎上，Mertz和Patrick[5-6]分別用志愿者、人類尸體及機械假人進行臺車沖擊試驗，測得了頭部的精確加速度，并首次考慮了頸部肌肉對頭頸部動力學響應的影響.在志愿者不發生損傷的前提下，許多研究者開展了類似的研究，并測得了不同碰撞環境下頭部加速度曲線及頸部響應數據[7-8].Davidsson等人[9]開展了志愿者低速后碰撞試驗，借助13名志愿者進行了28次臺車試驗，速度為5～7 km/h，并根據試驗結果建立了頸部響應通道，該試驗所得數據被廣泛應用于后碰撞假人的驗證工作.Szabo等[10]通過低速后碰撞志愿者試驗記錄了志愿者頭頸部的動力學響應以及頸部肌肉的肌電活動.可見，志愿者碰撞試驗為頸部損傷機理研究提供了大量的實測數據，可極大地推動頸部損傷的研究進展，同時在碰撞過程中發現頸部肌肉主動響應也對頸部損傷產生一定的影響.